煤層工作面綜采機械化液壓支架的選型

周世強

（晉能控股煤業集團臨汾宏大勝利煤業有限公司，山西 臨汾 041099）

引言

近年來，我國煤炭生產總量遠超于美國等發達國家，成為第一煤炭生產大國[1]。雖然我國的煤炭生產總量占據優勢，但在生產效率上還遠遠低于發達國家，這是由于我國的煤礦開采設備條件仍相對落后。目前，美國等國所使用的液壓支架已將手動操作發展成為電液控制系統，并且可根據采煤機的運動方向以及位置，實現自動化可控，加快了液壓支架的移架速度。除此以外，掩護式液壓支架具有較好的密封性能，可防止工作面落入矸石。為實現高效采煤的生產理念，液壓支架已向高支護強度（最大值已達1.1 MPa）、高支撐高度（4~5 m）、強工作阻力（高達104 kN）、寬中心距、機身輕便、使用壽命長以及穩定性高等方向發展。液壓支架作為煤層工作面的核心設備，研究意義重大。

1 煤層工作面的概況

煤層工作面頂底板條件是選擇液壓支架架構重要的考慮因素，正確選擇液壓支架，不僅能夠增加采煤產量，也能提高產煤效率。本部分主要分析測定煤層工作面底板的比壓以及老頂的級別與直接頂的類別判定，初步選擇液壓支架的類型。

1.1 煤層工作面底板比壓的測定

底板比壓作為工作面選擇液壓支架的關鍵參數，表示頂板抗壓入的強度。該值的測試方法主要包括現場測定和實驗室兩種測試方式，本文選擇現場測定的方法，采用內注式底板比壓儀（DBY型）可直接讀出壓入深度與底板比壓的數值，并以壓模壓入值為橫坐標和底板比壓值為縱坐標繪制相關曲線圖。

為保證所測底板比壓值數據的準確性，需選擇3個實驗點進行數據分析，分別記錄出壓入深度與底板比壓的數值并繪制相關曲線圖，最終經統計分析得出底板比壓平均值，即抗壓入強度。具體讀數間隔由初始的5 mm/次上升至每10~50 mm/次，該值隨著壓入速度變化情況隨時調整。

本文以第一個測量點為例，采用比壓儀記錄數據值，如表1所示。

表1 煤層工作面的壓入深度與底板比壓的記錄數值（1號測量點）

該測量站的有關底板比壓的計算公式為（1）：

式中：qri表示當第i次壓模壓入時底板的比壓值，MPa；qsi表示第i次壓模壓入時所采取儀器油缸的壓力值，MPa；ds和dm分別為比壓儀油缸的內徑和壓模直徑，mm。

壓入深度的計算公式為（2）：

式中：hi為第i次壓入深度，mm；Hi為第i次所壓入的深度測量值，mm；H0為儀器初次壓入的測量值，mm。

以壓模壓入值為橫坐標和底板比壓值為縱坐標繪制相關曲線圖，如圖1所示，拐點處則可得出測量點1的底板比壓值，測量點2和3也采用同樣的測量計算方法得出相對應的比壓值。測量點2底板比壓值為22 MPa，對應高度為51 mm；測量點3底板比壓值為26 MPa，對應高度為37 mm。

圖1 底板比壓與壓入深度曲線圖（1號測量點）

根據一些研究得出，當容許比壓在16.2~32 MPa條件下，無明確優先選擇的液壓支架類型。經計算得出，該底板比壓值為27.7 MPa,因此，該底板對于液壓支架選型不限。

1.2 煤層工作面頂板類別的確定

不同煤層工作面的頂板，需采取不同類別的液壓支架。本文首先確定出某煤礦的煤層工作面的頂板類別，包括老頂的級別與直接頂的類別，再根據國內外液壓支架選型經驗值[2-3]，最終初步完成液壓支架的選型。

根據計算得出，煤層工作面老頂的強度計算為2.96 MPa，屬于明顯的老頂來壓，為II級；直接頂的強度指標計算為3.2 MPa，判斷該頂級為第2類別，屬于中等穩定板。可參考得出此類型頂板應選擇掩護式液壓支架。

2 液壓支架參數的計算

除選擇出液壓支架的架型之外，仍需要計算出煤層工作面液壓支架的一些主要參數，包括液壓支架的高度、初撐力和工作阻力等，其各項參數的計算公式如下所述。

2.1 液壓支架高度H'：

式中：Mmax為煤層的最大高度，取2.6 m；S1為偽頂冒落的最大厚度，取0.2 m。將數值代入公式計算得H'max=2.8 m。

式中：Mmin為煤層的最小采高高度，取1 m；S2為頂板來壓時最大的下沉量（包括頂梁的上下底座的浮煤、浮矸和支架的下移量的總和），取0.25 m。將數值代入公式計算得H'min=0.75 m。

2.2 工作阻力P

式中：q為支架的支護強度，取574 kN；b為支架的中心距，取1.5 m；L為頂梁長度，取3.822 m；C為煤壁與頂梁前端的距離，取0.4 m。

2.3 初撐力T

根據各項計算公式，可得出該煤層工作面液壓支架的最小與最大采高高度分別為0.75 m和2.8 m；工作阻力為3 635 kN；該液壓支架的支撐力依據直接頂確定為中等穩定板，此值應具有較高的支撐力，一般占工作阻力的80%，其值較接近于工作阻力為2 904 kN。

除此之外，推溜力和移架力也為液壓支架的選型參數，推溜力大致為100~150 kN。移架力主要與頂板條件、支撐的高度以及支架結構等因素有關。按照煤層的薄、中、厚可選擇出移架力的值為100~150 kN，150~300 kN以及300~400 kN。

3 液壓支架的選型

該煤層工作面的煤層傾角在28°，該值大于25°，則需要在煤層工作面中和排頭的支架處設立防滑和防倒裝置[4]。結合計算出的液壓支架相關參數，以及底板比壓應小于煤層工作面的容許比壓值，選擇液壓支架型號為ZF3700/16/29，其相關性能如表2所示。

表2 ZF3700/16/29型液壓支架性能表

4 結論

1）通過測定煤層工作面篩選出液壓支架的底比壓應小于底板容許比壓作為選型參考。

2）根據計算得出，煤層工作面的老頂屬于明顯的老頂來壓，為II級，直接頂的頂級為第2類別，屬于中等穩定板，由此可選擇得出此類型頂板為掩護式液壓支架。

3）通過對液壓支架的高度、初撐力和工作阻力等主要參數計算，進一步完成某煤礦的煤層工作面液壓支架的選型，并給出該液壓支架的具體性能參數，便于借鑒與應用。